1、另外，王萌也在其论文中阐述了的供暖换热站运行参数监测装置，可采集多个换热站的运行参数，并通过互联网将换热站的运行参数传送到供暖监控中心，集中显示和监测，从而减少各个换热站的工作人员，实现各换热站无人值守，达到了减员增效的目的，同时提高了供暖可靠性，保证供暖质量3。由此可看出我国的城市的集中供暖，换热站的数据采集与自动监控已经取得了显著的成果，实现了监控管理自动化，同时也可以根据监控数据随时调整，达到有效供暖与节约能源双管齐下。1.3 论文主要任务本课题主要是完成小区交换站供热系统数据采集模块的设计，以单片机为核心器件，达到数据采集、显示、存储以及通信等功能。课题从初步构思到整体完成所包含的主要
2、任务有：1）完成了数据采集模块总体框图的设计；2）完成了器件的选型及硬件电路的设计；3）完成了软件程序的设计；4）完成了硬软件的调试；2 课题方案设计2.1 集中供热系统的构成城市集中供热系统主要包括热力站（或称热源厂）、热水管网、换热站、用户（或称居民社区）等几部分。连接于热源厂和热用户之间的供热系统是整个集中供热系统的重要组成部分，居民社区的供热系统主要包括社区的热水管网和热力站，热水管网分为一次网与二次网，一次网是指连接于城市管网与热力站之间的管网，二次网是指连接于热力站与热用户之的管网，热力站通过二次管网把热量送到终端用户。集中供热系统的构成如图2.1所示。 二次网回水 用 户 户 换
3、热站 热 源 源循 环 泵 本课题的研究设计主要是实现基于以单片机为核心的对供热系统温度、压力、流量等模拟量及循环泵和补水泵启停控制等开关量的数据采集模块的设计，具体包括： 1）、热交换站一次侧总管的供水温度和回水温度（两路温度信号） 2）、热交换站二次侧总管的供水温度和回水温度（两路温度信号） 3）、热交换站一次侧供水总管压力和回水总管压力（两路压力信号） 4）、热交换站二次侧供水总管压力和回水总管压力（两路压力信号） 5）、热力站补水管网的的流量（一路流量信号） 6）、热力站一次管网的流量（一路流量信号） 7）、循环泵和补水泵的启停（开关量信号）2.2 方案总体设计框图根据本课题的设计要求
4、，数据采集模块包括单片机最小系统、电源电路、数据采集模块、数据采集与输入模块、数据通信模块、数据存储模块。总体的方案原理图设计如图2.2所示。 2.3 单片机的选择 本课题要求完成对温度、压力、流量等模拟量的采集，为了尽可能降低成本，简化电路，本课题采用自带8路A/D转换的单片机STC12C5A60S2。STC12C5A60S2是STC生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换，针对电机控制，强干扰场合5。本课题采用40引脚封装
5、的单片机型号：PDIP-40，单片机STC12C5A60S2芯片及引脚如图2.3所示：图2.3 单片机STC12C5A60S2的引脚图2.4 传感器的选择1）温度传感器的选择本设计中，要求水温测量范围0C 120C ,误差为0.5C 。DS18B20单总线数字温度传感器的测温范围可达-55C +125C，精度可达C ，完全可以满足所要求的测量范围和精度，因此，选择DS18B20作为本次设计的温度传感器。DS18B20数字温度计提供912位摄氏温度测量而且有一个由高低电平触发的可不因电源消失而改变的报警功能。DS18B20通过一个单线界面发送或接受信息，因此在中央处理器和DS18B20之间仅需一
6、条连接线（加上地线），直接从单线通讯在线汲取能量，除去了对外部电源的需求。 2）压力传感器的选择考虑到工业实际环境和要求，压力传感器采用工业中的压力变送器，它能够接收气体液体等压力信号并将其转换成电流信号，以供记录仪、报警仪等仪器进行测量。本论文要求的压力变送器需要输出420mA的电流信号，能够测得020Mpa的压力，供电电压为24V，且量程可调。压力变送器具有优良的可靠性，广泛的适应性以及很强的适应性和多样性，可广泛用于石油、化工、电力等领域。3）流量传感器的选择本课题采用电磁流量计测量一、二次管网的流量，电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律进行流量测量的流量计。电磁流量计的优点是压损极小，可
7、测流量范围大。最大流量与最小流量的比值一般为20：1以上，适用的工业管径范围宽，最大可达3m，输出信号和被测流量成线性，精确度较高，可测量电导率5s/cm的酸、碱、盐溶液、水、污水、腐蚀性液体以及泥浆、矿浆、纸浆等的流体流量。电磁流量计测量范围度大，通常为20：150：1，可选流量范围宽；电磁流量计的口径范围比其他品种流量仪表宽，从几毫米到3米；可测量正反双向流量，也可测脉动流量，只要脉动频率低于激磁频率很多；仪表输出本质上是线性的；易于选择与流体接触件的材料品种，可应用于腐蚀性流体等优点。由于电磁流量计测量含有悬浮固体或污脏体的机会远比其他流量仪表多，出现内壁附着层产生的故障概率也就相对较高
8、。若附着层电导率与液体电导率相近，仪表还能正常输出信。基于以上特点，本课题最终选用电磁流量计作为测量元件6。2.5 显示器的选择本课题要求显示4路温度、四路压力、两路流量数据，以及两路开关量，本课题采用LCD1602液晶显示器进行温度、压力、流量等数据显示，用两只二极管的亮灭分别代表循环泵和补水泵的启停状态等开关量。LCD是液晶显示器的简称，具有功耗低、体积小、无电磁辐射、显示量大、易于彩色化等一系列优点。液晶显示器的主要原理是以电流刺激液晶分子产生点、线、面并配合背部灯管构成画面。 工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符。（16列2行）1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种
9、专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用。1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。1602采用标准的16脚界面，其引脚图如图2.5所示：3 硬件电路的设计 3.1 单片机最小系统的设计单片机STC12C5A60S2外部晶振为12MHz,一个指令周期为1/12us，其最小系统包括复位电路和时钟电路。时钟电路用于产生单片机工作时所需的时钟控制信号，AT89C52单片机各功能部件的运行
10、都是以时钟控制信号为基准的，有条不紊的一拍一拍的工作，时钟信号直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也可以直接影响单片机的系统稳定性。常用的时钟信号电路设计两种方式，一种是内部时钟方式，另一种是外部时钟方式，本设计从简化电路方面考虑，采用内部时钟方式。 STC12C5A60S2单片机内有一个用于构成振荡器的高增益的反相放大器，该高增益反相放大器的输人端为芯片引脚（XTAL1），输出端为芯片引脚（XTAL2），这两个引脚接石英晶体振荡器（简称晶振）和微调电容，就构成了一个稳定的自激振荡器。电路中电容C1和C2通常选择30pF左右，电容的大小会影响振荡器频率的高低、振荡器的稳定性和起振的快速性。晶体
11、振荡器的频率范围通常是在1.2MHz12MHz之间，晶振频率越高，则系统的时钟频率就越高，单片机也就运行更快7。复位电路单片机的初始化操作，可以初始化系统，摆脱由于程序运行出错和操作失误造成的系统死锁状态。 STC12C5A60S2单片机是通过外部复位电路实行复位功能的，复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。本课题采用手动复位。单片机最小系统电路图如图3.1所示。3.2 数据采集电路的设计1）温度采集模块的设计DS18B20有8引脚的SO封装、8引脚SOP封装以及3引脚TO92封装3种形式。本设计采用的只有三引脚的DS18B20封装形式，三个引脚分别是GND接地引脚，DQ数据输入或者
12、输出引脚，VCC电源引脚或者工作在寄生电源时该引脚接地。接线图如图3.2所示。图3.2 DS18B20温度传感器与单片机连接图2）压力采集模块的设计压力变送器所采集的压力范围为020MPa，输出的是420mA的直流信号，因为单片机具有A/D转换功能的P1口输入的模拟信号是15V的电压信号，因此，需要将压力变送器输出的420mA的电流经250的电阻变成15V的电压，经电容滤波后连接到自带A/D转换的单片机的P1口，其信号处理电路如图3.3所示8。3）流量采集模块的设计电磁流量计的测量范围为110000（m3/h），输出信号为420mA电流输出，须经250电阻转换成15V的电压信号，再经电容滤波后
13、送至单片机的P1口，其信号处理电路如图3.4所示。4）开关量采集模块的设计光电耦合器亦称光电隔离器，简称光耦。光电耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管，使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电光电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力9。本课题须采集循环泵、补水泵启停状态等开关量，设计电路为上电后分别用一个开关代表控制两个泵启停的接触器线圈的
14、吸合状态，输出的信号经过光电耦合器传送至单片机，其电路图如图3.5所示。3.3 键盘与显示电路的设计1）显示电路 LCD1602与单片机的连接图如图3.6所示：图3.6 LCD1602液晶界面2）键盘电路键盘在单片机应用系统中能实现向单片机输入数据、传送命令等功能，是人工干预单片机的主要手段。在一般情况下，键盘是由一组排列规则的按键组成的，但键盘实际上是一组按键开关的集合。通常，键盘开关利用了机械触点的闭合和断开作用，一个电压信号通过键盘开关机械触电的断开和闭合，输出一个电压波形。常用的键盘界面分为独立式键盘界面和行列式键盘界面。由于本设计中只有两个按键，故采用设计简便的独立式键盘界面。独立式
15、界面键盘是最简单的键盘，各键相互独立，直接用I/O口线的构成单个按键电路，通过检测输入线的电平状态就可以很容易的判断出是哪个按键按下。本设计中的键盘界面电路如图3.7所示。此键盘电路共2个按键，分别与单片机的P3.2、P3.3，两个按键分别为开始翻页键K1和数据存储键K2组成。当按下K1时，LCD液晶显示器显示不同的工程量；按下K2键，数据暂停与上位机进行数据通信，开始进行数据存储10。3.4 通信模块的设计本课题的通信模块采用标准RS232串行通信标准进行与上位机的数据通讯，RS-323C标准是美国EIA（电子工业联合会）与BELL等公司一起开发的1969年公布的通信协议。它适合于数据传输速
16、率在020000b/s范围内的通信。这个标准对串行通信接口的有关问题，如信号线功能、电气特性都作了明确规定。由于通行设备厂商都生产与RS-232C制式兼容的通信设备，因此，它作为一种标准，目前已在微机通信接口中广泛采用。 目前大多数计算机的RS-232C通信接口都使用了DB9连接器，由于RS-232规定的电平和一般微处理器的逻辑电平不一致，必须进行电平转换，本课题采用MAX232芯片将TTL电平转换成RS232标准串行通讯电信号11。MAX232是MAXIM公司生产的，包含两路驱动器和接收器的RS232转换芯片。MAX232符合所有的RS-232C技术标准；只需要单一 +5V电源供电；功耗低，
17、典型供电电流5mA；内部集成2个RS-232C驱动器；高集成度，片外最低只需4个电容即可工作；芯片内部有一个电压转换器，片载电荷泵具有升压、电压极性反转能力，能够产生+10V和-10V电压V+、V-，将输入的+5V电压转换为RS232接口所需的10V电压，尤其适用于没有12V的单电源系统。基于以上特点，本课题最终选用MAX232芯片进行电瓶的转换，其引脚图如图3.8所示。 第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+10v和-10v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。其
18、中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。TTL/CMOS数据从11引脚（T1IN）、10引脚（T2IN）输入转换成RS-232数据从14脚（T1OUT）、7脚（T2OUT）送到电脑DB9插头;DB9插头的RS-232数据从13引脚（R1IN）、8引脚（R2IN）输入转换成TTL/CMOS数据后从12引脚（R1OUT）、9引脚（R2OUT）输出。第三部分是供电。15脚GND、16脚VCC（+5v）。本课题采用第一数据通道，TTL/CMOS电平的T
19、1IN引脚应接STC12C5A60S2的串行发送引脚TXD,R1OUT接AT89C52的串行接收引脚RXD；与之对应，T1OUT、R1IN引脚接RS232电平。单片机与上位机进行串行数据通信的电路如图3.9所示：图3.9 TTL电平转RS232电平的串口模块电路图3.5 数据存储模块的设计本课题要求预留数据存储功能，既可把单片机所采集的温度、压力、流量等模拟量的数据以及泵的启停状态等开关量的数据进行存储，要求可以写入数据并可读出数据。所以，就需要给单片机外加存储器来存放所采集的数据量。本课题选用24C04存储器，采用8引脚封装形式，其中只用两个引脚与单片机连接，分别是串行数据输入/输出端和串行
20、时钟端，其与均接高电平或低电平，具体与单片机的连接如图3.10所示：3.6 电源电路的设计1）5V电源电路 本课题中的单片机及外围电路的芯片均采用的是+5V直流电源供电，故设计了由220V电网电压获得5V直流电压的电源变换电路。单相交流电须经过电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路转换成稳定的直流电压，具体电路图如图3.11所示：在上述电路图中，220V的电网电压经降压变压器变成8V电压，再进行整流和电容滤波，其中LM78XX为集成稳压器，此处应选用LM7805，在经过电容滤波后得到直流5V电源。1）24V电源电路由于在本课题中压力变送器及开关量的上电电路都需用到24V电源，故设计了从220
21、V电网电压得到24V电压的变换电路。与5V电源获取电路相似，电网电压须经过变压器降压、整流电路、滤波电路和集成稳压电路得到24V直流电压，但集成稳压器应选用LM7824。具体电路图如图3.12所示：4 软件程序设计 在完成系统的硬件电路后，下一步就要进行软件程序的设计。本课题采用模块化的程序设计，各模块程序分别编写及调试，这样编程比较简单且易于修改14。4.1 主程序模块设计本课题主程序的主要任务是上电后对系统进行初始化操作和构建系统整体的软件框架，初始化时候包括对单片机的初始化和对各个串口的初始化操作，然后调用各模块子程序。主程序流程图如图4.1所示。NY4.2 温度采集模块设计根据设计要求
22、，需要采集四路温度，每路用一个DS18B20数字温度传感器采集当前温度值，应用单片机的P2.3P2.6口与数字温度传感器DS18B20连接，对每个DS18B20温度传感器进行编号，并把每个传感器测出来的温度信号送入单片机，交由单片机做出数据处理。温度采集模块设计流程图如图4.2所示。4.3 A/D转换模块设计 本课题需要采集压力、流量等模拟量，为了降低成本和简化电路，最终采用自带A/D转换的单片机STC12C5A60S2。其A/D转换通道的流程图如图4.3所示。4.4 显示模块设计本设计根据设计要求，需要显示四路温度、四路压力、两路流量，所以采用了LCD显示模块，这样各数据参数可以实时的显示，
23、方便人员观测和记录。LCD显示数据时总共分为两部分：第一部分是通道的序号；第二部分是当前数据值15。LCD显示模块流程图如图4.4所示。4.5 通信模块设计 本文采用的是标准RS232串行通信标准与上位机进行数据通信，并通过MAX232芯片进行电平转换，串行通信模块程序流程图如图4.5所示。4.6 存储模块设计 本设计采用24C04存储器进行该模块采集的数据存储，可以写入数据，同时也可从存储器中读出数据，其程序流程图如图4.6所示：5 硬件及软件调试在进行硬件电路焊接前后，须对单片机以及外围电路一些器件进行调试，以确定器件的完好以及焊接的正确性与否。当焊接完单片机最小系统，LCD显示以及DS1
24、8B20以后，便向单片机烧写了温度采集的程序，但是结果并没有显示温度。后来，对硬件电路进行了仔细检查，因为为了电路的美观，LCD的引脚与单片机的链接并没有直接用导线连接，而是自己焊接链接的，所以任何一处没有焊接好都会出现无法正常显示的问题。接下来对自己每一处的焊接做了仔细检查，发现硬件电路并没有问题，经过查阅相关资料，终于找到了问题所在，因为STC12C5A60S2单片机的运行频率比一般的51系列单片机的要高出12倍，所以在时序上出了问题，找出问题并作出修改之后便能成功的显示温度了，在这个阶段初步完成了硬件电路的调试工作。软件程序的调试可以说是整个设计的一个重点及难点，如何使编好的程序能够成功
25、的在硬件电路上发挥作用，并达到预期的效果是完成本课题的关键。本课题需采集的模拟量有温度。压力，流量，以及泵的启停状态等开关量。采集温度用的是DS18B20，压力变送器和电磁流量计输出的电流信号变换成电压信号送至单片机具有A/D转换功能的P1口，对应在LCD上显示变化范围内的工程量。由于本课题采用的模块化的程序设计，所以我分别编写各模块的程序，在进行硬件电路调试时已经调试出温度采集及显示的子程序。当我编写完压力和流量的程序并调试成功后，需将DS18B20的程序合并进来，并设定用按键进行翻页显示不同工程量。后来的程序调试并不是一两次就能成功的，经过反复修改，发现问题，改正问题，最终才能按照预期的要
26、求显示所采集的数据。总之，按照本课题的要求焊接出实物并不难，难点在于软件程序的调试，这是一个复杂的过程，需要不断修改程序，烧写程序，没有耐心的话是不能完成这项工作的。最终基本完成了本课题的要求，达到了数据采集的目的。在本次历时三个多月的设计中，自己一步一步的努力，通过查阅相关文献资料，从起初的毫无头绪到今天的基本完成让我收获了很多，不仅是大学四年课本知识的理解运用，更多的是自己拿到课题后如何去构思，如何以一个正确的心态去对待本次设计，然后努力完成课题的要求。虽然在做实物、调试程序过程中经常出错，如果没有耐心或者消极面对这些问题，那么最终结果可想而知。正是因为自己常常告诫自己，以良好的心态面对问
27、题、解决问题才能最终完成本次的课题。 本课题数据采集模块的正面展示图如图5.1所示： 图5.1 数据采集模块的正面展示图 本课题数据采集模块的反面展示图如图5.2所示：图5.2 数据采集模块的反面展示图 该数据采集模块的温度显示图如图5.3所示：图5.3 数据采集模块的温度显示图 该数据采集模块的压力和流量显示图如图5.4所示：图5.4 数据采集模块的压力和流量显示图结 论此课题主要对小区交换站供热系统的数据采集模块的设计进行了研究，整个设计过程包括模块方案设计、硬件电路设计、软件程序设计、做实物以及软硬件的调试。数据采集模块主要采集了温度、压力、流量等模拟量以及泵的启停状态等开关量，由于采集的模拟量较多，为简化电路和降低成本，课题采用了自带A/D转
